标准编号:	GB/T 7409.2-2020
中文名称:	同步电机励磁系统 第2部分：电力系统研究用模型
英文名称:	Excitation systems for synchronous machines—Part 2： Models for power system studies
中标分类:	K21    同步电机
行业分类:	GB    国家标准
ICS分类:	29.160.20 29.160.20    发电机 29.160.20
发布机构:	国家市场监督管理总局 国家标准化管理委员会
发布日期:	2020-06-02
实施日期:	2021-1-1
标准状态:	valid
替代旧标准:	GB/T 7409.2-2008 同步电机励磁系统 电力系统研究用模型
翻译语言:	英文
文件格式:	PDF
中文字符数:	45000 字
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Codeofchina.com is in charge of this English translation. In case of any doubt about the English translation, the Chinese original shall be considered authoritative. GB/T 7409 consists of the following three parts under the general title Excitation systems for synchronous machines: ——GB/T 7409.1 Excitation systems for synchronous electrical machines — Definitions; ——GB/T 7409.2 Excitation systems for synchronous machines — Part 2: Models for power system studies; ——GB/T 7409.3 Excitation system for synchronous electrical machines — Technical requirements of excitation system for large and medium synchronous generators. This part is Part 2 of GB/T 7409. This part is developed in accordance with the rules given in GB/T 1.1-2009. This standard replaces GB/T 7409.2-2008 Excitation systems for synchronous machines — Models for power system studies, and the following main technical changes have been made with respect to GB/T 7409.2-2008: ——"Detailed description of auxiliary limiter model of excitation system" has been added, and the established model of generator excitation system can provide a simulation comparison between main generator excitation systems in China and field measured data, and can be used for analysis of power system stability (see 5.7); ——The load current compensation model based on scalar superposition has been added (see 5.1); ——Some voltage correction models and their description have been modified (see 5.3; 3.5.2 of Edition 2008); ——Some power system stabilizer models have been added (see 5.5); ——VFL, OEL, SCL and UEL models have been added (see 5.7); ——The interference ways of various auxiliary limiters and the power system stabilizer in the main voltage control have been added (see 5.8); ——"Voltage control model of transformer high-voltage side" has been added (see Annex A); ——“Multi-band power system stabilizer model” has been added (see Annex C); ——“Calculation equation of inverse time characteristic” has been added (see Annex D); ——The content of the former Annex E and F has been deleted (see Annexes E and F of Edition 2008); ——"Look-up table function for UEL model" (see Annex E); ——"Integral reset representation" has been added (see Annex F); ——"Method for estimating field current” has been added and this method may be used for setting OEL characteristics (see Annex I); This part was proposed by the China Electrical Equipment Industry Association. This standard is under the jurisdiction of the National Technical Committee on Electric Rotating Machinery of Standardization Administration of China (SAC/TC 26). The previous editions of this part are as follows: ——GB 7409-1987; ——GB/T 7409.2-1997 and GB/T 7409.2-2008.   Introduction In the study of power system stability, as the operating state of synchronous machine has been accurately simulated, an appropriate model shall be established for the excitation system of the machine. Due to the limitation of data acquisition, programming and calculation, it is necessary to use a simplified model with appropriate accuracy if permitted. These models shall be suitable for showing the performance of excitation system in the following periods: ——the period of steady-state conditions before a fault occurs; ——the period from fault occurrence to fault clearance; ——the period of oscillation after fault clearance. Assuming that the frequency deviation is within ±5% of the rated value in the steady-state study, the influence of frequency deviation on excitation model may be ignored. The excitation system model shall be effective for steady-state conditions and natural oscillation frequency of synchronous machine. Generally, the typical value of this oscillation frequency is not larger than 3 Hz. The functions of protection and actions of de-excitation and overvoltage suppressor are not included in the application scope of the models. More detailed models shall be considered in the study of out-of-step operation, subsynchronous resonance/oscillation or torsional vibration of shafting. The excitation modeling method and standard model may also be used for other dynamic problems related to synchronous machine, but it is necessary to check the applicability of the models for this study. In the study of power system, the functions of various excitation systems involved are given in the block diagram of Figure 1. These functions include: ——voltage control element; ——auxiliary limiter; ——power system stabilizer; ——excitation feedback; ——exciter. The main distinguishing feature of exciter is the way of providing and transforming excitation power. This part proposes a general and practical calculation model of generator excitation system, which can meet the requirements of power system stability analysis, with reference to the actual model of generator excitation system in China and the calculation model of generator excitation system for power system stability analysis, and the standard IEEE Std.421.5-2016, Figure 1 General functional block diagram of synchronous machine excitation system (part in dashed box) Excitation systems for synchronous machines — Part 2: Models for power system studies 1 Scope GB/T 7409.2 stipulates the simulation diagram of excitation system, the mathematical model of exciter and control function, and the terms and definitions of related parameters and variables. GB/T 7409.2 is applicable to the excitation system models of steam (gas) turbine generators, hydro-generators, pumped storage generators/motors and nuclear power units used in power system research and analysis. 2 Normative references The following referenced document is indispensable for the application of this standard. For dated references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced documents (including any amendments) applies. GB/T 7409.1 Excitation systems for synchronous electrical machines — Definitions 3 Terms and definitions For the purposes of this document, the terms and definitions given in GB/T 7409.1 and the following apply. 3.1 main voltage control link in which the actual measured value of the terminal voltage of synchronous generator is compared with the given value, and the excitation output is adjusted based on its deviation and appropriate control law Note: Its main functions also include load current compensation, excitation feedback and power system stabilizer (PSS). 3.2 auxiliary limiters limiters in excitation regulator except main voltage control Note: limiters include volts per hertz limiter, over excitation limiter, maximum current limiter, stator current limiter, under excitation limiter, etc.   3.3 maximum current limiter transient limiter for output current of the excitation system not to exceed the specified maximum in any operating conditions 3.4 volts per hertz limiter; VFL additional unit or function of voltage regulator to avoid a higher ratio of voltage to frequency of synchronous motor or a higher ratio of voltage to frequency of the transformer connected to the motor than the allowable range 3.5 over excitation limiter; OEL additional unit or function of voltage regulator that limits the output current of excitation system within the allowable value 3.6 stator current limiter; SCL additional unit or function of voltage regulator that limits the stator current within the allowable value by adjusting the reactive component of the stator current of synchronous generator in over excitation or under excitation 3.7 under excitation limiter; UEL additional unit or function of voltage regulator that limits the reactive power of synchronous generator to be not lower than the specified value under different active loads 4 Classification of exciter——graphic method and mathematical model for stability study 4.1 DC exciter In recent years, although DC exciter is rarely used in new units, there remain some synchronous motors equipped with such exciters. Figure 2 is a schematic diagram of DC exciter using separately excited windings, and Figure 3 shows the model of this exciter. In the model, the constant KE of self-excited magnetic field of AC and DC exciter is used to describe the characteristics of exciter with self-excited component. Note: KE=1 when using separated exciter.

Foreword i Introduction iii 1 Scope 2 Normative references 3 Terms and definitions 4 Classification of exciter——graphic method and mathematical model for stability study 4.1 DC exciter 4.2 AC exciter 4.3 Potential source static exciter 4.4 Compound source static exciter 5 Mathematical model of control function 5.1 Model of voltage measurement and load current compensation 5.2 Proportional-Integral-Differential (PID) correction model 5.3 Excitation feedback model 5.4 Limit 5.5 Power system stabilizer model 5.6 General structure of main voltage control 5.7 Model of auxiliary limiter 5.8 The mode of the auxiliary limiters intervening in the main voltage control 6 Model of excitation system 6.1 General 6.2 Model of AC exciter excitation system 6.3 Model of DC exciter excitation system 6.4 Static excitation system model 7 Symbols 7.1 Parameters 7.2 Variables Annex A (Informative) Voltage control model of transformer high-voltage side Annex B (Normative) Expression of limit Annex C (Informative) Multi-band power system stabilizer model Annex D (Normative) Calculation equation of inverse time characteristic Annex E (Informative) Look-up table function for UEL model Annex F (Informative) Integral reset representation Annex G (Normative) Saturation function Annex H (Normative) Rectifier setting characteristics Annex I (Informative) Estimation of baseline value of over excitation limiter (OEL) Annex J (Normative) Per unit system Bibliography

同步电机励磁系统 第2部分：电力系统研究用模型 1 范围 GB/T 7409的本部分规定了励磁系统模拟简图、励磁功率单元和控制功能的数学模型，及其相关参数和变量的术语定义。 本部分适用于电力系统研究和分析中所使用的汽(燃气)轮发电机、水轮发电机、抽水蓄能发电/电动机和核电机组的励磁系统模型。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。 GB/T 7409.1 同步电机励磁系统 定义 3 术语和定义 GB/T 7409.1界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 3.1 电压控制主环 main voltage control 将同步发电机机端电压的实际测量值与给定值进行比较，并按其偏差以适当的控制规律调节励磁输出的环节。 注：其主要功能中还包含负载电流补偿、励磁反馈环节及电力系统稳定器( power system stabilizer， PSS)功能。 3.2 辅助限制环节 auxiliary limiters 励磁调节器中除电压控制主环以外的限制环节。 注：其包含V/Hz限制、过励限制、最大励磁电流限制、定子电流限制、欠励限制等。 3.3 最大励磁电流限制 maximum current limiter 任何运行工况下，瞬时限制励磁系统输出电流不超过规定的最大值。 3.4 V/Hz限制 volts per hertz limiter； VFL 电压调节器中一种防止同步电机或与其相连变压器的电压与频率之比超过允许范围的附加单元或功能。 3.5 过励限制 over excitation limiter； OEL 电压调节器中一种将励磁系统输出电流限制在允许值之内的附加单元或功能。 3.6 定子电流限制 stator current limiter； SCL 电压调节器中一种在过励或欠励时通过调整同步发电机定子电流的无功分量来限制定子电流在允许值之内的附加单元或功能。 3.7 欠励限制 under excitation limiter； UEL 电压调节器中一种在不同有功负荷下限制同步发电机无功功率不低于规定值的附加单元或功能。 4 励磁功率单元分类——图示法及稳定性研究的数学模型 4.1 直流励磁机励磁功率单元 近年来，虽然新机组已很少采用直流励磁机，但还有部分同步电机装有这类励磁机。图2就是一种采用它励绕组的直流励磁机励磁功率单元简图，图3表示该励磁功率单元的模型。模型中用交、直流励磁机自励磁场的常数KE来描述有自励分量励磁机的特性。注意：采用它励励磁机时KE＝1。 同步发电机 用于稳定控制的反馈(要用时) 直流励磁机励磁绕组 励磁控制输入 直流励磁机 图2 采用一个它励绕组的直流励磁机励磁功率单元 图3 与图2相对应的模型 励磁控制采用机械式、电磁式、电子式和数字式控制装置。 考虑到采用直流励磁机的机组数量和重要程的感尘对上述励磁控制形式，统一用图3的简图描述即可满足要求。 4.2 交流励磁机励磁功率单元 交流励磁机励磁功率单元利用交流励磁机带静止或旋转二极管整流器，给同步电机提供磁场电流。 采用它励方式时交流励磁机磁场电流的电源可为副励磁机，采用自励方式时该电源可为取自于机端的电势源或复合静止电源。 图4和图5分别表示交流励磁机采用永磁式副励磁机作电源的励磁功率单元简图；图6和图7表示交流励磁机采用机端励磁变压器作为电源的励磁功率单元简图。 图4和图6中整流器的输出经电刷和滑环给同步发电机的磁场绕组。励磁机的旋转磁场绕组到励磁控制设备也是通过滑环和电刷进行电联接的；图5和图7中整流器和交流励磁机的电枢与同步电机同轴旋转，旋转整流器的输出不需用滑环或电刷，而直接与同步电机的磁场绕组联接。 同步发电机 不控整流器 可控整流器 交流励磁机 永磁式副励磁机 图4 它励有刷交流励磁机励磁功率单元 同步发电机 旋转不控整流器 可控整流器 交流励磁机 永磁式副励磁机 图5 它励无刷交流励磁机励磁功率单元 励磁变 同步发电机 不控整流器 交流励磁机 可控整流器 图6 自励有刷交流励磁机励磁功率单元 励磁变 同步发电机 旋转不控整流器 交流励磁机 可控整流器 图7 自励无刷交流励磁机励磁功率单元 图8表示采用永磁式副励磁机作电源的交流励磁机励磁功率单元的模型。该模型用以描述励磁机带负载时的稳态和瞬态特性(在某些情况下考虑到瞬时负载影响，需用更详细的模型)。取决于励磁机数据完整程度，可以构成不表达换相作用励磁机励磁功率单元模型，即设XE为零。 图9表示采用有励磁变压器的交流励磁机不可控整流器励磁系统功率部分数学模型。 有励磁变压器的交流励磁机励磁系统功率部分数学模型与有副励磁机的交流励磁机励磁系统功率部分数学模型的区别是调节器输出限制值与发电机电压有关。 图8 它励交流励磁机励磁功率单元详细模型 图9 有励磁变压器的自励交流励磁机励磁功率单元详细模型 图10表示交流励磁机励磁功率单元的简化模型。当不可能获得全部数据时，可用简化模型。虽然用负载的饱和曲线只能描述其稳态负载特性，但已可以满足许多研究的要求。 图10 交流励磁机励磁功率单元简化模型图 4.3 电势源静止励磁功率单元 电势源静止励磁功率单元有三种连接方式，包括电源采用自励恒压且与同步电机同轴的辅助发电机、或取自与主发电机电压无关的辅助母线、或取自同步电机的输出端，励磁功率单元结构如图11所示。前两者分别称作旋转源它励静止励磁系统和静止源它励励磁系统，其数学模型可以表示为图12；后者称作自并励静止励磁功率单元，自并励静止励磁系统的性能和模型应考虑受机端电压变化的影响，数学模型可以表示为图13。 自励恒压励磁机 同步发电机 可控整流器 厂用电 励磁变 可替换 图11 电势源静止励磁功率单元 可控整流装置采用全控桥，也可采用一半晶闸管、一半二极管的半控桥。常常通过控制触发角限制输出电压，用UP＋和UP－来表示。半控桥输出不能逆变，UP－的值等于零。 最常用的可控整流桥只允许正向磁场电流通过。若同步电机端部扰动引起负的磁场电流，图12和图13的数学模型对此就不再是有效的，在这种情况下，同步电机磁场绕组的电压不再受调节器的控制，而决定于其他因素。 图12 它励励磁功率单元模型 图13 自并励静止励磁功率单元模型 4.4 复合源静止励磁功率单元 复合源静止励磁功率单元同时采用电流源和电压源(取自同步电机)两种整流变压器供电。设计的形式有电流源和电压源在直流侧并联、直流侧串联、交流侧并联和交流侧串联等多种形式。复合源静止励磁功率单元使用甚少，这里仅说明交流侧串联的复合源静止励磁功率单元。 图14给出了两个电源在整流器交流侧串联、电压相加的原理图。带有气隙的电抗器将电流源转换为电压源，也有采用带气隙的电流源变压器直接将电流源转换为电压源。图15给出相应的模型。 电势源变压器 电抗器 同步发电机 可控整流器 电流源变压器 图14 交流侧串联、电压相加的复合源静止励磁功率单元 图15 对应图14的模型 5 控制功能的数学模型 5.1 电压测量和负载电流补偿环节模型 仿真模拟的发电机端电压测量环节是所有电压调节器共有的。考虑电流补偿时，通常有基于矢量合成电压测量和基于标量迭加的电压、电流测量两种方式： a) 基于矢量合成的电压测量和负载电流补偿环节； 图16表示发电机电压与负载电流补偿的矢量合成。 图16 基于矢量合成的电压及负载电流补偿模型 b) 基于标量相乘迭加的电压、电流测量与负载电流补偿环节。 在大部分工程应用中，不考虑有功电流的电抗压降和无功电流电阻压降时，可将图16所示模型简化为如图17所示。 图17 基于标量相乘迭加的电压、电流测量与电流补偿模型 通常，负载电流的补偿采用下面的某一种形式： ——当机组间未经阻抗直接并联时，采用电流补偿，造成一个人为的阻抗匹配，以使机组能合理地分担无功功率，XC应为正值； ——当单一机组通过大的阻抗联到系统，或两台及多台机组通过各自变压器联到系统时可能要求调节发电机端外某点的电压。比如，可以补偿变压器的部分阻抗，在这些情况下，RC和XC取负值。 多数负载电流的补偿忽略RC分量，而只要求XC值，在此条件下，负载电流的影响可视为无功分量的影响，起该作用的部件称作无功电流补偿器。 不使用补偿器，而仅仅用于端电压整流后的滤波时，仍适用于图16和图17。另外，滤波环节可能是复杂的，为了模拟，可以简化为一阶惯性环节，在许多情况下此时间常数很小，可忽略不计。 加入负载补偿器影响滤波后的端电压信号与参考信号比较，参考信号表示端电压的理想整定值，选择等效电压调节器的参考信号UREF，以满足初始运行条件。常见的其他形式变压器高压侧电压控制有PSVR，其具体模型框图参见附录A。 5.2 比例-微分-积分(PID)校正环节模型 励磁控制的PID校正环节实现励磁调节和稳定控制功能。PID校正环节一般分为：串联型PID校正环节和并联型PID校正环节，具体如下： a) 串联型PID校正环节 串联型PID校正环节模型见图18。KV设置为1时校正环节由两级超前滞后环节组成。KV设置为零时校正环节带纯积分环节，实现无差调节。 图18 串联型PID校正环节 b) 并联型PID校正环节 并联型PID校正环节模型见图19。 图19 并联型PID校正环节 5.3 励磁反馈环节模型 励磁反馈环节一般包括软反馈环节和励磁机时间常数补偿环节： a) 软反馈环节 软反馈环节模型见图20。软反馈环节输入信号在静止励磁系统中为调节器输出Ur，在励磁机励磁系统中可以是与励磁机磁场电流信号成比例的Uie，或者发电机磁场电压Uf，软反馈环节输出信号加到图24中电压相加点Uessl或者PID校正环节的输出Uess2或Uess3。 Ur、Uf或Uie 图20 软反馈校正环节 b) 励磁机时间常数补偿环节 励磁机时间常数补偿环节也称硬反馈环节，用以减少励磁机等效时间常数。励磁机时间常数补偿环节的输入信号为发电机磁场电压或励磁机磁场电流信号，反馈到PID校正环节的输出，见图21。 Uf或Uie 图21 励磁机时间常数补偿环节 5.4 限幅环节 要注意区分内限幅和外限幅两种限幅环节。内限幅和外限幅的表达见附录B。 5.5 电力系统稳定器模型 电力系统稳定器输入信号一般有发电机有功功率、机端电压的频率、发电机转速或它们的组合。电力系统稳定器可以用于发电机和电动机工况，但是参数需要分别整定。 迭加到电压相加点的电力系统稳定器输出量的基准值同发电机电压的基准值。电力系统稳定器输入量的基准值同发电机基准值。 电力系统稳定器模型主要有单输入信号电力系统稳定器模型、合成加速功率型电力系统稳定器模型和其他电力系统稳定器模型： a) 单输入信号电力系统稳定器模型——PSS1型 PSS1型单输入信号电力系统稳定器模型由信号测量环节、两级隔直环节、轴系扭振滤波器、三级超前滞后环节、增益调整环节和输出限幅环节组成，见图22。输入信号可以是发电机有功功率、机端电压的频率或发电机转速。 图22 单输入信号电力系统稳定器模型——PSS1型 b) 合成加速功率型电力系统稳定器模型——PSS2型 PSS2型合成加速功率型电力系统稳定器模型见图23。PSS2型模型采用发电机转速(或频率)和有功功率作为输入信号USI1和USI2，经过运算产生机械功率变化量信号，该信号减去有功功率变化量信号即为加速功率变化量信号，以此作为电力系统稳定器校正信号输入到超前滞后环节、增益调整环节和限幅环节。 图23 加速功率型电力系统稳定器模型——PSS2型 c) 其他电力系统稳定器模型，比如多频段PSS模型(参见附录C)。 5.6 电压控制主环通用结构 电压控制主环通常由几种校正环节组合而成，其通用结构模型见图24，图中虚线描述了励磁反馈环节和电力系统稳定器可选择的介入位置。励磁系统稳定计算模型可按照实际模型或按照等效方式设置KA、KB、TA、TB、KFF和PID1、PID2对应的参数，选择励磁反馈环节和电力系统稳定器介入点。KH设置为0时励磁反馈校正环节为软反馈校正，KF、TF设置为零时该环节为励磁机时间常数补偿环节。 Ur、Uf或Uie 图24 电压控制主环通用结构模型 5.7 辅助限制环节模型 本部分提供的励磁辅助限制器模型对应部分在中国电网运行的、符合标准要求的发电机励磁调节器辅助限制功能。 辅助限制环节主要包括V/Hz限制、过励限制(OEL)、定子电流限制(SCL)和欠励限制(UEL)： a) V/Hz限制环节 V/Hz限制环节实现防止同步电机或与其相连变压器过磁通功能。V/Hz限制环节根据反时限实现方式不同可分为：解析函数类型和多点折线查表类型。 1) 采用解析函数类型实现反时限功能的V/Hz模型见图25，设置Kinv实现不同的反时限动作时间整定，设置Kcool实现反时限动作返回时间整定，模型采用低通比较门(LV)方式介入电压控制主环，输出信号UVFL接入图33中UVFL2。反时限特性计算公式见附录D的D.1。 图25 采用解析函数实现反时限功能的V/Hz模型 2) 采用多点折线形式的V/Hz功能模型见图26，F1(x)是由电压与机组频率比值x对时间T的多段折线函数，用于整定反时限动作特性。模型采用低通比较门(LV)方式介入电压控制主环，输出信号UVFL接入图33中UVFL2。 图26 采用多点折线形式的反时限V/Hz模型 b) 过励限制环节 过励限制环节实现将励磁系统输出电流限制在允许值之内，限制作用可能是瞬时的或延时的。过励限制环节通常由反时限计时模型、反时限动作模型和最大励磁电流限制动作模型 组成。 1) OEL反时限计时模型见图27，设置Kinv实现不同的反时限动作时间整定，设置Kcool实现反时限动作返回散热时间整定，反时限特性计算公式见D.2。